布法罗大学牙科和进化生物学家之间不太可能的合作发现了一种解释基因如何获得新功能的新机制。

由进化人类学家OmerGokcumen博士和口腔生物学家StefanRuhl博士领导的团队结合使用生物信息学、系统发育学、蛋白质组学和组织学，比较了在粘液中发现的一类含糖蛋白质的基因组差异，称为粘蛋白。他们在49个哺乳动物物种中发现了15个实例，其中粘蛋白通过在其基因(外显子)的蛋白质编码区域中引入重复序列而进化，从而诱导蛋白质产物在合成时通过称为O-糖基化的过程获得密集的突出糖分子刷.

布法罗大学艺术与科学学院生物科学副教授Gokcumen说：“我认为以前并不知道蛋白质功能可以这样进化，从蛋白质获得重复序列。不是粘蛋白的蛋白质仅通过获得重复就变成粘蛋白。这是进化产生粘液的重要方式。这是一个进化的把戏，我们现在一次又一次地记录这种情况。”

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粘蛋白趋同进化的新加性机制的详细信息发表在《科学进展》杂志上(“基因进化产生粘蛋白功能的机制”)。基于他们的发现，作者提出外显子重复及其数量的变化导致基因获得新功能。作者说，就粘蛋白而言，重复序列是蛋白质粘稠特性的关键。结果表明，具有丰富脯氨酸残基的上皮细胞分泌的蛋白质是粘蛋白的天然前体。作者认为他们的发现可能特别有助于理解糖连接(糖基化)蛋白的功能进化。

Ruhl是布法罗大学牙科医学院的口腔生物学教授和临时院长，三十年来一直在研究唾液中的粘蛋白，主要关注它们通过平衡口腔微生物群来保护蛀牙的能力。

“我们在粘蛋白中看到的重复序列被称为‘PTS重复序列’，因为它们含有高含量的氨基酸脯氨酸、苏氨酸和丝氨酸。它们帮助粘蛋白发挥其重要的生物学功能，从润滑和保护组织表面到帮助我们的食物变滑以便我们吞咽，”Ruhl说。“有益微生物已经进化为生活在粘液涂层表面，而粘液同时也可以作为保护屏障，通过保护我们免受不需要的病原体入侵者来抵御疾病。”

在研究唾液时，研究人员注意到MUC7(人类的一种小唾液粘蛋白​​)在小鼠中缺失，该物种表达MUC10，另一种大小相当的粘蛋白。在调查它们的起源时，科学家们发现，尽管人类MUC7在进化上与小鼠MUC10无关，但人类眼泪中的一种非粘蛋白PROL1与MUC10共享结构域，但不包括粘蛋白特有的密集糖刷-涂层重复。

“我们认为这种撕裂基因最终以某种方式被重新利用，”Gokcumen说。“它获得了赋予它粘蛋白功能的重复序列，现在它在小鼠和大鼠的唾液中大量表达。”

这促使团队调查其他粘蛋白的起源，以探究MUC10的“粘蛋白化”是否代表了一种共同的进化范式。他们发现了15个相同现象的实例，这些实例支持他们的假设，即非粘蛋白通过包含PTS重复序列转化为粘蛋白。Gokcumen说，考虑到这项研究只关注几十种哺乳动物基因组的一个区域，他们的结论“相当保守”。他很好奇地研究了蛞蝓、粘液鳗和其他物种中的粘蛋白是否通过相同的机制产生。

该研究的第一作者、Gokcumen实验室的研究生PetarPajic说，他们的发现增加了试图解释基因功能如何进化并可能产生更广泛影响的工作主体。

“这可能具有更广泛的意义，无论是在理解适应性进化方面，还是在可能解释某些致病变异方面，”Pajic补充道。“如果这些粘蛋白在不同时间不断从不同物种的非粘蛋白进化而来，这表明存在一些使其有益的适应性压力。另一方面，如果这种机制‘偏离正轨’——发生得太多，或者发生在错误的组织中——可能会导致某些癌症或粘膜疾病等疾病。”